Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO: generieke technische en functionele specificaties (voorlopig)

(1)

Specificaties zesde-generatie

modellen met D-HYDRO

(2)

(3)

Specificaties zesde-generatie

modellen met D-HYDRO

Generieke technische en functionele specificaties

(4)

(5)

Titel

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO Opdrachtgever Rijkswaterstaat Water, Verkeer en Leefomgeving, LELYSTAD Project 11203714-013 Kenmerk 11203714-013-ZWS-0001 Pagina's 88

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO Trefwoorden

D-HYDRO, D-Flow Flexible Mesh, zesde generatie, modelschematisaties, functioneel ontwerp Samenvatting

Dit rapport beschrijft landelijk afgestemde generieke technische en functionele specificaties voor alle nieuwe zesde-generatie modelschematisaties voor Rijkswaterstaat (RWS) voor de waterbeweging op basis van het nieuwe simulatiesoftwarepakket D-HYDRO Suite. De kern van de D-HYDRO Suite is de D-Flow Flexible Mesh module (D-Flow FM) waarmee eendimensionale (1D), tweedimensionale (2D) en driedimensionale (3D) hydrodynamische simulaties gemaakt kunnen worden op ongestructureerde roosters. Onderliggende specificaties dienen te worden gebruikt als input bij het opzetten en afregelen van zesde generatie (D-HYDRO) modelschematisaties voor RWS toepassingen.

Tijdens het opzetten en testen van de eerste cluster van zesde-generatie modelschematisaties zijn de technische en functionele specificaties steeds verder aangescherpt en gedetailleerd. Zo is een aantal generieke D-HYDRO vraagstukken, zoals onder andere roosteropbouw, bodemschematisatie en viscositeit-instellingen, nader onderzocht en zijn de daaruit voortkomende bevindingen verwerkt in de specificaties. Parallel daaraan is door RWS een Programma van Eisen (PvE) voor de zesde-generatie watermodellen 2D en 3D opgesteld en ook deze is verwerkt in voorliggende technische en functionele specificaties voor de ontwikkeling van de zesde-generatie modelschematisaties

Versie Datum Auteur Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Paraaf 2.5 dec. 2019 Tony Minns

Aukje Spruyt David Kerkhoven

Status voorlopig

Dit document is een voorlopig rapport en uitsluitend bedoeld voor discussiedoeleinden. Aan de inhoud van dit rapport kunnen noch door de opdrachtgever, noch door derden rechten worden ontleend.

(6)

(7)

11203714-013-ZWS-0001, Versie 2.5, 20 december 2019, voorlopig

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO i

Inhoud

Lijst met Acroniemen v

1 Inleiding 1

1.1 Achtergrond 1

1.2 Doelstelling 2

1.3 Werkwijze 2

1.4 D-HYDRO Suite software status 2

1.5 Leeswijzer 2

1.6 Terminologie 3

2 Conceptueel raamwerk 5

2.1 Inleiding 5

2.2 Van de vijfde- naar zesde-generatie modelschematisaties 5

2.3 Watersystemen 5

2.4 Toepassingen 7

2.5 Specifieke eisen aan het conceptueel ontwerp 9

2.5.1 Landelijk model 9

2.5.2 Overlapgebieden 11

2.5.3 Proces roosteraanpassing en -verfijning 12

2.5.4 Koppelen van modellen 12

2.5.5 Knippen van modellen 13

2.6 Wettelijke en bestuurlijke kaders 13

3 Koppeling met andere modellen 15

3.1 Introductie 15

3.2 Golven 15

3.2.1 SWAN 15

3.2.2 Bretschneider 18

3.2.3 Samenvatting voorwaarden voor de koppeling met golven 18

3.3 Morfologie 18 3.4 Waterkwaliteit 19 3.5 Meteorologie 20 3.6 Globale modellen 20 3.7 Data-assimilatie 20 3.8 Baseline 6 21 3.9 Regionale modellen 21 3.10 Buitenlandse modellen 21 4 Technische specificaties 23 4.1 Algemeen 23

4.1.1 Good Modelling Practice 23

4.2 Roostergeneratie 24

4.2.1 Algemene opzet van het rooster 25

4.2.2 Afhandeling van gesloten randen 26

4.3 Numerieke aspecten 27

4.3.1 Tijdstap 27

(8)

4.3.3 Horizontale viscositeit 29

4.3.4 Implicietheid van de tijdsintegratie 29

4.3.5 Wandruwheid 29 4.4 Kunstwerken en overlaten 30 4.4.1 Kunstwerken 30 4.4.2 Sturing kunstwerken 30 4.4.3 Overlaten 32 4.4.4 Bruggen 32

4.4.5 Primaire keringen en hoge gronden 32

4.5 3D-modellering 32

4.5.1 Invoerparameters voor 3D-modellering 33

4.5.2 Oscillaties in 3D-modelresultaten en filter ter vermindering hiervan 33

4.6 Overige aspecten 34 4.6.1 Stabiliteit en nauwkeurigheid 34 4.6.2 Initiële condities 34 4.6.3 Rekentijd en parallellisatie 36 4.6.4 Gebruiksvriendelijkheid en presentatie 37 5 Kalibratie en validatie 39 5.1 Algemeen 39 5.2 Nauwkeurigheid 40 5.3 Onzekerheidsanalyse 41

6 Beheer schematisaties en data 43

6.1 Algemeen 43 6.2 Naamgeving 43 6.3 Modelstructuur 43 6.4 Standaardrandvoorwaarden 44 6.5 Datamanagement 45 6.5.1 Informatiehuis Water 45 6.5.2 Informatiehuis Marien 45 6.5.3 INSPIRE 45

6.5.4 Deltares Data Portal 45

6.6 Versiebeheer 45

6.7 Helpdesk Water en Dataportaal overheid 46

7 Referenties 47

Bijlage(n)

A Programma van eisen zesde generatie Watermodellen 2D en 3D A-1

A.1 Eisen voor het gehele modelsysteem A-1

A.1.1 Algemene eisen A-1

A.1.2 Gebiedsdekking A-1

A.1.3 Rekenrooster A-2

A.1.4 Kunstwerken A-2

A.1.5 Goodness-of-Fit criteria A-3

A.1.6 Geschiktheid voor koppeling met andere modellen A-4

A.1.7 Rapportage en presentatie A-4

(9)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO iii

A.2.1 Maas A-5

A.2.2 Noordzee A-7

A.2.3 Markermeer en Veluwerandmeren A-9

A.2.4 IJsselmeer A-11

A.2.5 Oosterschelde A-12

A.2.6 Haringvliet A-14

A.2.7 Noordzeekanaal & Amsterdam-Rijnkanaal A-15

A.2.8 Grevelingenmeer A-16

B Wettelijke en bestuurlijke kaders B-1

B.1 Waterwet B-1

B.2 Omgevingswet B-1

B.3 Nieuwe normering B-1

B.4 Kader Toepassing Netwerkmodellen Water en Scheepvaart B-2

B.5 Beleidslijn Grote Rivieren B-2

B.6 Rivierkundig Beoordelingskader (RBK) B-2

B.7 Leggers B-3

B.8 Ontgrondingenwet B-3

B.9 Natuurwet B-3

B.10 Overige protocollen en besluiten B-3

B.11 Verdragen met het buitenland B-4

B.12 Europese kaders B-4

C Basisinstellingen voor numerieke en fysische modelparameters C-5 C.1 Algemene aanpak voor keuze van parameters in zesde-generatie model C-5 C.2 Afwijkingen van de basisinstellingen voor numerieke parameters C-6 C.3 Afwijkingen van de basisinstellingen voor fysische parameters C-6

D Kwaliteitsborging van modelleringsaanpak D-1

D.1 Good Modelling Practice D-1

D.2 Definities modelbeoordeling D-4

D.2.1 Kalibratie, validatie en verificatie D-4

D.2.2 Goodness-of-fit criteria D-5

D.2.3 Middelingsduur variabelen D-8

D.2.4 Nauwkeurigheidscriterium D-8

E Kwaliteitscriteria voor roostergeneratie E-1

E.1 Driehoekige versus vierhoekige roosters E-1

E.2 Voorkeuren per toepassingsgebied E-1

E.3 Richtlijnen voor roostergeneratie E-2

F Bodemprojectie F-1

G Naamgevingconventies watermodellen Rijkswaterstaat G-1

G.1 Inleiding G-1

(10)

(11)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO v

Lijst met Acroniemen

D-HYDRO Suite Nederlandse benaming voor Delft3D FM Suite voor gebruik in

Nederland.

Delft3D Flexible Mesh Suite Geïntegreerd modelsysteem met ongestructureerde en

gestructureerde roosters voor 1D2D3D modellering in open water. Opvolger van Delft3D v4.xx Suite.

Delft3D FM Suite Afkorting van Delft3D Flexible Mesh Suite

D-Flow Flexible Mesh Module voor waterbeweging

D-Flow FM Afkorting van D-Flow Flexible Mesh

D-Morphology Module voor morfologie

D-Particle Tracking Module voor modellering van deeltjes

D-Rainfall Runoff Module voor de neerslag-afvoermodellering

D-Water Quality Module voor waterkwaliteit

D-Wave Module voor golven

D-Real Time Control Module voor het aansturen van kunstwerken

D-RTC Afkorting van D-Real Time Control

Delft3D v4.xx Suite Geïntegreerd modelsysteem met curvilineaire roosters voor

2D3D modellering in open water

Delta Shell Geïntegreerd modelleerframework voor integratie van modellen,

data en tools.

FEWS Hydrologisch voorspelsysteem van Deltares

G6 modellering Zesde-generatie modellering

NetCDF Network Common Data Form; Internationale standaard voor in-

en uitvoerfiles

OpenDA Open Interface standaard voor modelkalibratie en

data-assimilatie

OpenMI Open Modelling Interface voor het koppelen van modelsystemen

Simona Geïntegreerd modelsysteem voor 2D3D modellering in open

water van Rijkswaterstaat. Afkorting van SImulatie MOdellen NAtte waterstaat.

SOBEK-RE 1D modelsysteem voor riviertoepassingen van Rijkswaterstaat

SOBEK-RUR 1D modelsysteem voor riviertoepassingen van Deltares. Hierbij

staat “RUR” voor RiverUrbanRural, ook wel SOBEK 2 genoemd

SOBEK 3 Opvolger van SOBEK-RUR en SOBEK-RE voor

riviertoepassingen. Geïntegreerd binnen het Delta Shell framework

(12)

SWAN Simulating WAves Nearshore. Derde-generatie golven model

ontwikkeld door de TU Delft.

(13)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 1 van 88

1 Inleiding

1.1 Achtergrond

Op 15 september 2015 is een mijlpaal gerealiseerd door de release van versie 1.0 van het simulatiesoftwarepakket D-HYDRO Suite. De kern van de D-HYDRO Suite is de D-Flow Flexible Mesh module (D-Flow FM) waarmee eendimensionale (1D), tweedimensionale (2D) en driedimensionale (3D) hydrodynamische simulaties gemaakt kunnen worden op ongestructureerde roosters. D-HYDRO is het modelleringsplatform van de toekomst voor hydrodynamica, morfodynamica, waterkwaliteit en golven (Deltares, 2016a,b,c). Deze software-suite wordt de vervanger van het door RWS gebruikte Simona (WAQUA, TRIWAQ), Delft3D en het SOBEK-RE softwarepakket.

Het SOBEK-RE softwarepakket is de afgelopen jaren al vervangen door het SOBEK 3 softwarepakket, een onderdeel binnen de D-HYDRO Suite. Er zijn in de periode 2013-2017 al verschillende modelschematisaties opgezet in SOBEK 3 en deze modelschematisaties worden ook al gebruikt in diverse primaire processen bij RWS. RWS beoogt om rond 2020 alle Simona (WAQUA en TRIWAQ) en Delft3FLOW modelschematisaties vervangen te hebben door D-Flow Flexible Mesh (D-D-Flow FM) modelschematisaties binnen de D-HYDRO Suite. Dat moment zal de overgang van de gestructureerde rooster aanpak naar de flexibele-rooster modeleringsmogelijkheden met D-HYDRO Suite markeren. Met het in gebruik nemen van de D-HYDRO Suite stapt RWS over van modelschematisaties in de vijfde generatie naar modelschematisaties in de zesde generatie (G6).

Modelschematisaties en de daaruit voorkomende modelresultaten hebben een belangrijke rol binnen de primaire processen van RWS en veranderingen daarin kunnen vergaande economische, strategische en politieke consequenties hebben. Daarnaast biedt een overgangsmoment de gelegenheid om weer eens kritisch naar huidige en beoogde functionele eisen en in gebruik zijnde en beoogde toepassingen te kijken. Om de overgang weloverwogen en gecontroleerd te laten verlopen, is daarom door RWS besloten om voorafgaand aan het opzetten van de D-Flow FM modellen technische en functionele specificaties op te laten stellen. De scope ligt hierbij op het ontwerpen van modelschematisaties voor de waterbeweging (2D en 3D). Hierbij dient wel, zoveel als mogelijk, rekening te worden gehouden met de compatibiliteit met andere modellen en processen zoals voor golven (SWAN), morfologie en waterkwaliteit/ecologie. De focus ligt in eerste instantie op 2D modellering, omdat de software voor 3D modellering nog volop in ontwikkeling is. Bij de 2D modellering wordt wel alvast zoveel als mogelijk gekeken naar de toepasbaarheid bij 3D vraagstukken, door te kijken naar de gevolgen van keuzes voor langere 3D-berekeningen.

In het verlengde hiervan heeft RWS aan Deltares gevraagd om generieke en uitgebreide technische en functionele specificaties aan te leveren, die gebruikt zullen worden bij de ontwikkeling van de zesde-generatie modelschematisaties van RWS voor de waterbeweging. Deze specificaties zijn bedoeld om de ontwikkeling (opzet, kalibratie en gebruik) van de eerste D-Flow FM modelschematisaties in goede banen te leiden. Een eerste versie van deze specificaties is opgeleverd in september 2017 (Spruyt et al, 2017). Inmiddels is er nieuwe kennis opgedaan, waardoor een actualisatie van dit deze versie noodzakelijk was – hetgeen resulteert in onderliggend document.

(14)

1.2 Doelstelling

Het doel is om gedragen, landelijk afgestemde generieke technische en functionele specificaties op te stellen voor alle nieuwe zesde-generatie 2D (en 3D) modelschematisaties van RWS voor de waterbeweging. Hierbij dient, zoveel als mogelijk, rekening te worden gehouden met de compatibiliteit met andere modellen en processen. Deze specificaties dienen te worden gebruikt voor het opzetten en afregelen van alle zesde-generatie modelschematisaties voor RWS. Uiteraard zijn de verkregen kennis en inzichten ook toepasbaar voor niet-RWS projecten.

1.3 Werkwijze

Tijdens het opzetten en testen van de eerste zesde-generatie modelschematisaties zijn de technische en functionele specificaties steeds aangescherpt. Zo zijn een aantal generieke D-HYDRO vraagstukken, zoals onder andere roosteropbouw, bodemschematisatie en viscositeit-instellingen, nader onderzocht en zijn de bevindingen verwerkt in de specificaties. Parallel daaraan is door RWS een Programma van Eisen (PvE) voor de zesde-generatie watermodellen 2D en 3D opgesteld (zie bijlage A) en ook deze is verwerkt in voorliggende technische en functionele specificaties voor de ontwikkeling van de zesde-generatie modelschematisaties. 1.4 D-HYDRO Suite software status

Op dit moment (februari 2019) zijn de volgende modules beschikbaar in de algemene release versie van D-HYDRO Suite 2019.01 (1.5.1.41875):

• D-FLOW FM (2D) • D-Water Quality (2D) • D-Morphology (2D) • D-Waves (2D)

In eerste instantie worden de nieuwe zesde-generatie modelschematisaties voor RWS als 2D modelschematisaties opgesteld. Er wordt gelijktijdig wel rekening mee gehouden met het gebruik van de modelschematisaties voor toekomstige 3D toepassingen zodat er geen keuzes worden gemaakt bij de nieuwe 2D modelschematisaties die een 3D toepassing in de weg zouden kunnen staan. Daarom worden in deze specificaties ook al enkele aanbevelingen en richtlijnen afgegeven die betrekking hebben op 3D toepassingen (o.a. zoutindringing, slibmodellering).

Daarnaast is de huidige 1D-functionaliteit op dit moment opgenomen in de aparte module SOBEK 3, welke niet direct koppelbaar is met D-Flow FM (alleen de zogeheten laterale koppeling1_{is mogelijk). Binnen D-Flow FM is eveneens een 1D-component beschikbaar, maar}

deze heeft (nog) niet dezelfde functionaliteiten als SOBEK 3. 1.5 Leeswijzer

Dit rapport bestaat uit een aantal hoofdstukken waarin de uitgangspunten en de belangrijkste eisen aan de functionele specificaties beschreven worden. Deze hoofdstukken beschrijven de

1_{Bij het koppelen van 1D en 2D modellen wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende soorten koppeling:} 1 Laterale koppeling: zijwaartse overstroming, bijv. 1D rivier met 2D overstromingsgebieden. 2 Longitudinale koppeling: globale modellering, bijv. 1D rivier die uitkomt in 2D estuarium 3 Embedded koppeling: poldermodellering, 1D kanalen ingebed in 2D rooster

4 Vertikale koppeling: riolering, 1D model onder 2D model.

(15)

aspecten waar gebruikers en ontwikkelaars rekening mee moeten houden voor het opzetten en gebruiken van de zesde-generatie modelschematisaties.

Waar relevant wordt vanuit de hoofdstukken verwezen naar de bijlagen voor meer informatie en onderbouwing over de richtlijnen en specificaties. In deze bijlagen staan meer details vaak afkomstig van nader aangrenzend onderzoek en uitzoekwerk.

1.6 Terminologie

In dit rapport worden de volgende definities gebruikt:

Nederlandse term Beschrijving Voorbeeld

gebiedsschematisatie Een beschrijving van een specifiek gebied of water-/grondwatersysteem, voor een specifieke periode – meestal de geografische beschrijving van het gebied baseline-rijn-j15_5-v1 (software: Baseline, watersysteem: Rijn, periode: 2015) modelschematisatie = modelsoftware + gebiedsschematisatie

Een rekenkundig model van een specifiek gebied of

water-/grondwatersysteem gebouwd met specifieke modelsoftware, voor een specifiek systeem en een specifieke periode

waqua-rijn-j15_5-v1 (software: WAQUA. watersysteem: Rijn, periode: 2015)

modelsoftware Een softwarepakket waarmee

modelschematisaties kunnen worden doorgerekend aan de hand van een numerieke implementatie van fysische processen in deze software

D-Flow FM, WAQUA

modelsoftwaresuite Een samenhangend geheel van modelsoftware modules, die hetzij stand-alone, hetzij gekoppeld kunnen worden gebruikt

D-HYDRO, SIMONA

Wanneer alleen het woord ‘model’ wordt gebruikt, wordt hier specifiek een ‘modelschematisatie’ mee bedoeld.

(16)

(17)

2 Conceptueel raamwerk

2.1 Inleiding

Het opzetten van nieuwe, zesde-generatie modelschematisaties start vanuit de gedachte dat er één landelijk-dekkend model voor heel Nederland wordt gemaakt. Alle modelschematisaties, die onderdeel uitmaken van het landelijke model, moeten naadloos op elkaar aansluiten. Dit hoeft alleen niet per se te resulteren in een (draaiend) landelijk 2D-model.

De overgang naar de D-HYDRO Suite houdt in het opzetten van nieuwe modelschematisaties gebruikmakend van de nieuwe beschikbare mogelijkheden en concepten van deze software. De nieuwe mogelijkheden van de D-HYDRO Suite zijn stapsgewijs verkend door in eerste instantie gebruik te maken van de reeds opgedane ervaringen met het rechtstreeks omzetten van enkele bestaande vijfde generatie WAQUA- modelschematisaties naar de D-HYDRO Suite. Op basis van deze omgezette modellen is gekeken naar wat er meer in de zesde-generatie bereikt zou kunnen worden (t.o.v. eerdere zesde-generaties). Het gebruik van de D-HYDRO Suite biedt op diverse vlakken nieuwe kansen, die niet bij Simona of Delft3D-FLOW aanwezig waren (bijv. modelleerflexibiliteit, ongestructureerd rekenen, modelonafhankelijke invoer, etc.). Hoewel technisch mogelijk en toegepast voor de pilotschematisaties, is er bewust voor gekozen om bij de overgang niet te gaan voor het rechtstreeks omzetten van de vijfde-generatie modellen, maar wel om de leerpunten en aandachtspunten uit de vijfde vijfde-generatie mee te nemen bij het van het begin af aan opzetten van de zesde-generatie modellen.

2.2 Van de vijfde- naar zesde-generatie modelschematisaties

Met de ontwikkeling van de vijfde-generatie modelschematisaties voor de waterbeweging is er voor gezorgd dat de verschillende modelgebieden fysiek op elkaar aansluiten en consistent worden opgebouwd. Voor de zesde-generatie geldt dezelfde eis. Vanwege lange rekentijden en de hanteerbaarheid van de modelschematisatie, moet het landelijke model in eerste instantie worden opgeknipt in logische eenheden, die vaak gelijk zullen zijn aan de watersystemen van de vijfde generatie. Door te werken vanuit de gedachte van één landelijk model heeft dat ook consequenties voor de keuze en instelling van modelparameters. Hoewel het uitgangspunt is dat de basisinstellingen overal hetzelfde moeten zijn, hebben veel van de instellingen een fysische betekenis en zijn deze afhankelijk van de lokale fysica of gebieds-/watersysteemkenmerken.

2.3 Watersystemen

De hoofdindeling is gebaseerd op de indeling volgens het Beheer- en ontwikkelplan voor de Rijkswateren 2016-2021 (BPRW) in zes watersystemen; Rivieren, Kanalen, Waddenzee, Noordzee en Kust, IJsselmeergebied en Zuidwestelijke Delta. Indien nodig wordt een hoofdgroep verder onderverdeeld in watersystemen.

(18)

Binnen het RWS-beheergebied (vastgelegd in de Waterwet2_{) is een aantal watersystemen}

geïdentificeerd. Rijkswaterstaat is volgens de Waterwet slechts bevoegd voor zover het rijk die bevoegdheden uitdrukkelijk in het Waterbesluit of waterregeling toegedeeld heeft gekregen De belangrijkste watersystemen voor RWS in de vigerende vijfde-generatie modelschematisaties zijn: • Continentale Plat • Waddenzee • Eems Dollard • IJmuiden • Lauwersmeer • Volkerak Zoommeer • Grevelingen • Veerse Meer • Oosterschelde • Westerschelde en Zeeschelde • Maas • Rijntakken • Rijn-Maasmonding (RMM) • IJsselmeer-Vechtdelta • Markermeer IJmeer Eem • Veluwerandmeren

• Noordzeekanaal+Amsterdam-Rijnkanaal • Twentekanaal

• Midden Limburg en Noord-Brabantse kanalen

Hoewel de modelschematisaties van deze waterlichamen ontwikkeld zijn om goed op elkaar aan te sluiten, is er door de jaren heen een verscheidenheid aan modelschematisaties ontstaan met enkele dubbelingen en overlap in schematisatiegebieden (zie Figuur 2.1).

(19)

Figuur 2.1 Voorbeeld van vijfde-generatie schematisaties in Zuidwest Nederland met veel overlap

Deze huidige indeling van modelgrenzen is mede ingegeven doordat regionale diensten verantwoordelijk zijn voor een specifiek beheersgebied en elk watersysteem zijn eigen specifieke eisen heeft. Daarnaast legt de beschikbaarheid van geschikte randvoorwaarden beperkingen op ten aanzien van de ligging van de modelgrenzen. De huidige modelgrenzen zijn dus niet altijd ideaal, maar bieden wel een goed startpunt voor de zesde generatie. Bij het opzetten van de nieuwe zesde-generatie modelschematisaties wordt opnieuw nagedacht over hoe groot de modelgebieden moeten zijn, waar de optimale locaties voor de nieuwe koppelranden zijn, en waar geschikte randvoorwaarden beschikbaar zijn. Modelgrenzen van de individuele watersystemen dienen daarbij zodanig te worden geplaatst dat er een naadloze koppeling tussen de modelschematisaties mogelijk is. Dit kan leiden tot een ander aantal modelschematisaties voor de zesde generatie.

2.4 Toepassingen

De modellen worden gebruikt in verschillende toepassingen die gerelateerd zijn aan de functies van het watersysteem (zie Figuur 2.2) en dienen geschikt te zijn om vragen die hierop betrekking hebben te helpen beantwoorden. Elke toepassing stelt zijn eigen eisen aan de te gebruiken modellen. Deze eisen, wensen en verwachtingen zijn geïnventariseerd in Spruyt et al. (2016) volgens een indeling langs de lijn van de RWS-missie:

• Veilig; • Schoon; • Voldoende; • Vlot.

en zijn ook opgenomen in het PvE van RWS voor de zesde-generatie modellen (bijlage A). Op deze manier staan de toepassingen voor RWS centraal en worden de modellen hiervoor gebouwd, in plaats van dat er eerst een model wordt gemaakt en dat iedere toepassing hiervan gebruik moet maken (ongeacht of het daarvoor geschikt is of niet).

(20)

(21)

Figuur 2.3 Interactie van KPP Hydraulica Schematisaties met andere KPP projecten.

Het KPP-programma (KPP=Kennis Primaire Processen) Hydraulica Schematisaties beheert, onderhoud en ontwikkelt de model- en gebiedsschematisaties van RWS en is tevens “het centrale loket” voor de opslag en uitlevering van deze schematisaties. De modelschematisaties die binnen KPP Hydraulica Schematisaties worden opgezet en beheert staan niet op zichzelf maar hebben een relatie met en worden toegeleverd aan allerlei andere KPP projecten (zie Figuur 2.3) die Deltares in opdracht van RWS-WVL uitvoert in het kader van de Samenwerkingsovereenkomst tussen de Stichting Deltares en het Ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. Daarnaast hebben deze modelschematisaties ook een directe relatie met de toepassingen binnen RWS, waaronder operationele berichtgeving en vergunningverlening. Tijdens de opzet van de zesde-generatie modellen wordt met deze KPP-projecten en de regionale diensten van RWS overlegd over de functionele eisen. Ook dient er binnen deze KPP-projecten rekening te worden gehouden met het feit dat de overgang naar de nieuwe generatie modellen (en bijbehorende nieuwe software) consequenties kan hebben voor de werkwijze, processen, koppelvlakken en systemen zoals die nu gehanteerd worden. De planning voor de opzet van de zesde-generatie modellen wordt daarom duidelijk met deze partijen gecommuniceerd, zodat binnen die projecten tijdig op benodigde aanpassingen kan worden geanticipeerd.

2.5 Specifieke eisen aan het conceptueel ontwerp 2.5.1 Landelijk model

Het opzetten van nieuwe, zesde-generatie modelschematisaties start vanuit de gedachte dat er één landelijk-dekkend model voor heel Nederland wordt gemaakt.

(22)

• Genereren van randvoorwaarden (voor de lokale deelmodellen); • Waterverdelingsvraagstukken;

• Beleidsstudies (nesting of koppelen van detailmodellen) • Koppeling aan landelijke database

Figuur 2.4 Dekking gebiedsschematisatie BaselineNL en aanvullende gebieden met alleen SOBEK3-schematisaties (donkerblauwe lijnen)

Dit landelijke model van heel Nederland hoeft niet overal dezelfde dimensie of resolutie te hebben. Op dit moment is er bijvoorbeeld al een eerste opzet van een nieuw landelijk SOBEK-model (LSM-RWS), waarin alle beschikbare SOBEK 3-schematies van RWS aan elkaar zijn gekoppeld. Dit is echter een 1D-model en het is de vraag of deze nauwkeurig genoeg is voor de generatie van randvoorwaarden voor de deelmodellen. Het is daarom wenselijk om een landelijk dekkend 2D-rooster en schematisatie te genereren. Op deze manier is er in ieder geval een totaal landelijk overzicht beschikbaar, zodat het veel makkelijker wordt om allerlei zaken consistent aan te pakken en is er ook aandacht voor de koppelings- en overlapgebieden. De onderliggende datastructuur van de huidige Baseline 5 is vooral gericht op de modelopzet volgens de vijfde generatie methodiek (DTB, AHN-> Baseline 5 -> WAQUA-> SOBEK). Er is in Hoefsloot (2017) een eerste opzet gemaakt van een landelijke database, BaselineNL, waarin als pilot alle op dat moment beschikbare Baseline5-schematisaties zijn samengevoegd tot één gebiedsschematisatie, zie Figuur 2.4 (voor de volledigheid zijn hier met de donkerblauwe lijnen ook de gebieden weergegeven waar op dit moment alleen een SOBEK3-schematisatie en geen Baseline-data van beschikbaar is). Deze schematisatie is echter wel erg groot qua opslagcapaciteit, en is daardoor minder goed werkbaar (binnen ArcGIS). Dit wordt met name veroorzaakt door de omvang van de hoogte-informatie. Het geeft echter wel een compleet overzicht van de nu landelijk beschikbare informatie en de manier waarop hier in de

(23)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 11 van 88 verschillende gebieden mee wordt omgegaan. Dit is een mooi uitgangspunt om bij de opzet van gebiedsschematisaties voor de zesde generatie consequenter mee om te gaan. Daarnaast is er hier een aandachtspunt voor de regio’s om op termijn ook Baseline-data voor de nog missende gebieden (Twentekanaal, Meppelerdiep, Midden-Limburg en Noord Brabantse Kanalen) op te zetten, of hier op een andere manier mee om te gaan.

Met de overgang naar de zesde generatie wordt er ook gewerkt aan een nieuwe softwareversie van Baseline (v6), waarin de onderliggende database-structuur wordt herzien en eveneens de projectie naar D-FLOW FM netwerken mogelijk wordt gemaakt. Hierbij wordt er naar gestreefd om deze structuur zodanig op te zetten dat het wel mogelijk wordt om met een landelijke database te werken.

Het idee is om in Baseline 6 een set van landelijke databases op te zetten die als basis dienen voor de zesde-generatie modellen. Binnen Baseline 6 wordt het mogelijk om, via vooropgezette polygonen, bepaalde delen uit de landelijke database te knippen die vervolgens binnen de verschillende gebieden van de zesde generatie modellen kunnen worden toegepast. Onderdeel van deze set landelijke Baseline-databases zijn:

• Actuele situatie (j-schematisaties)

• Beleidsmatige situatie (beno-schematisaties) • Schematisaties voor kalibratie/validatie/verificatie

Om er voor te zorgen dat de set met landelijke databases zo klein mogelijk blijft, dient er voor gezorgd te worden dat de kalibratie-, validatie- en verificatieperioden zoveel mogelijk op elkaar worden afgestemd. Dit dient echter niet ten koste te gaan van de kwaliteit van de kalibratie en validatie van de modellen.

2.5.2 Overlapgebieden

De huidige vijfde-generatie modelschematisaties overlappen elkaar in de zogeheten overlapgebieden. Deze overlapgebieden zijn tussen de modelschematisaties zoveel mogelijk gelijk getrokken. Er zijn echter een aantal zwakke punten geconstateerd gerelateerd aan de afregeling van de overgangsgebieden. Voorbeeld hiervan is de overgang van de Rijntakken en de Maas in het getijgebied naar de Rijn Maasmonding. Hier gaat het niet goed ten aanzien van de waterstanden, aangezien in de afvoerafhankelijke afregeling van de rivieren Rijntakken en Maas onvoldoende rekening wordt gehouden met de afregeling van het getij. Bij de meren speelt iets vergelijkbaars bij de overgang vanuit de IJssel naar de meren, waarbij bijvoorbeeld opeens wind(opzet) een belangrijke rol gaat spelen.

In de zesde-generatie modellen zullen de modellen elkaar (gedeeltelijk) overlappen, in ieder geval tijdens de opzet en afregeling. Dit is namelijk noodzakelijk omdat een goede afregeling alleen kan worden uitgevoerd als de modelrand ver genoeg van het interessegebied zit (of je over heel nauwkeurige randvoorwaarden beschikt). Hierbij moet wel rekening worden gehouden met de tekortkomingen die in de vijfde-generatiemodellen aan het licht zijn gekomen. Om deze tekortkomingen te voorkomen kan worden gedacht aan een iteratieve aanpak voor de opzet en afregeling, zie voorbeeld hieronder.

Voorbeeld:

1 Opzetten en afregelen modellen Rijntakken, Maas en Noordzee.

2 Opzetten en afregelen modellen Rijn-Maasmonding en IJssel-Vechtdelta. 3 Overlapgebieden opnieuw afregelen met gekoppelde modellen.

(24)

2.5.3 Proces roosteraanpassing en -verfijning

Vanuit RWS is er de wens om te komen tot een beheersbaar pakket van modelschematisaties. Vanwege de flexibiliteit die D-HYDRO Suite biedt, wordt het nu echter wel veel makkelijker om rooster-uitbreidingen te realiseren. Zomaar willekeurige roosteraanpassingen en verfijningen toestaan, draagt niet bij aan beheerbaarheid. Elke roosteraanpassing genereert namelijk in principe een andere modelschematisatie. Het maakt hierbij echter wel uit of de modellen worden gebruikt in onderzoeksvragen of voor vergunningverlening. In het eerste geval is er duidelijk meer flexibiliteit mogelijk dan in het tweede geval.

Voor sommige toepassingen zullen gebruikers een lokale verfijning of aanpassing van het rooster moeten gebruiken voor specifieke, lokale problemen. RWS zal deze verfijnde modellen niet zelf opzetten Er zal een protocol/kwaliteitshandboek worden opgesteld voor het toepassen van lokale verfijningen (of aanpassingen) om duidelijke richtlijnen voor beheerders en marktpartijen te geven t.b.v. kwaliteitsborging en modellenbeheer. Hierin wordt informatie opgenomen over de kwaliteitsborging van een uitgevoerde verfijning, en de eisen aan een eventuele herkalibratie van het model.

Daarnaast is het wenselijk om voor bepaalde gebieden wel vooropgezette verfijnde modelschematisaties te maken, die voor specifieke toepassingen moeten worden gebruikt. Dit is vergelijkbaar met de deelmodellen in de vijfde generatie en zorgt ervoor dat deze modelschematisaties in bepaalde procedures op een eenduidige manier kunnen worden toegepast. Bij de opzet van het basisrooster dient hier rekening mee te worden gehouden. 2.5.4 Koppelen van modellen

De huidige vijfde-generatie modelschematisaties zijn apart van elkaar opgezet, maar de roosters zijn zodanig gegenereerd dat ze onderling op elkaar aansluiten. Dit is ook de insteek voor de zesde generatie modelschematisaties. Er wordt in principe gedacht vanuit het opzetten van één rooster voor heel Nederland. Dit maakt het mogelijk om de modelschematisaties onderling te koppelen.

Naast de koppeling van gelijkwaardige modelschematisaties onderling is er ook een grote wens om modellen van verschillende dimensies of resoluties aan elkaar te kunnen koppelen. Op deze wijze kun je inzoomen op het gebied waarin je bent geïnteresseerd, terwijl de globale en grootschalige effecten die invloed hebben op je detailgebied ook worden meegenomen. Voorbeeld Zoutindringing bij IJmuiden: Je wilt een 3D-model gebruiken rond de sluizen en op het Noordzeekanaal. Daarna kan worden overgaan op een 2D-model. Als je ook de zoetwaterinname op de Lek en het effect hiervan op de scheepvaart wilt meenemen, dan kan er verder worden gekoppeld met een 1D model tot aan Lobith.

Het verdient de aanbeveling om eerst de (deel)modellen goed op te zetten. Hierbij dient wel rekening te worden gehouden met de wens dat het model in een later stadium koppelbaar, verfijnbaar en in lagen op te delen (3D) moet zijn. Je krijgt dan (gekalibreerde) modelschematisaties (componenten) van verschillende dimensies die makkelijk aan elkaar te koppelen zijn, zowel 1D als 2D als 3D.

Als ultieme toekomstbeeld kan worden gedacht aan een systeem (in bijv. DeltaShell), waarin alle beschikbare modellen opgenomen zijn en het mogelijk is om zelf je totale model samen te stellen en verschillende scenario’s door te rekenen (zie Figuur 2.5).

(25)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 13 van 88 Figuur 2.5 Mogelijk toekomstbeeld van een globaal systeem voor de aansturing van modellen.

2.5.5 Knippen van modellen

Naast het koppelen van modellen om een groter gebied te kunnen modelleren, dient het ook mogelijk te zijn om juist in te zoomen op een bepaald deel, door een model af te knippen. Dit is in principe in de huidige vijfde-generatie modellen ook al mogelijk, door ofwel aanpassing van het rooster ofwel het sectiebestand in Baseline (en daardoor de zogeheten rekenroosterbegrenzing). De randvoorwaarden, die op de geknipte modellen worden opgelegd, worden dan bij voorkeur gegenereerd door het totale model (indien er geen goede metingen beschikbaar zijn). Bij de opzet van de basismodellen wordt uitgegaan van een landelijke database en de basismodellen worden gezien als geknipte modellen uit het landelijke model. 2.6 Wettelijke en bestuurlijke kaders

De modelschematisaties van RWS worden toegepast binnen allerlei wettelijke en bestuurlijke kaders (zie ook Figuur 2.6) en veranderingen in resultaten kunnen daarmee vergaande consequenties hebben. Hiermee dient rekening te worden gehouden bij de opzet van de zesde-generatie modellen. Algemeen geldt dat voor RWS consistentie en reproduceerbaarheid van belang zijn evenals het kunnen aantonen hoe tot de resultaten is gekomen en of/hoe er met verschillende zaken rekening is gehouden. Elk van de wettelijke kaders stelt uiteindelijk eisen aan de uitlegbaarheid van de resultaten en over de toepassingsbereik die binnen het model noodzakelijk is. Een overzicht en beschrijving van de wettelijke en bestuurlijke kaders die van toepassing zijn op de zesde-generatie modelschematisaties van RWS is gegeven in bijlage B.

(26)

Figuur 2.6 Overzicht van relevante regelgeving voor water (bron: www.infomil.nl/onderwerpen/klimaat-lucht/handboek-water/wetgeving/schema)

(27)

3 Koppeling met andere modellen

3.1 Introductie

De eis aan de opzet van de zesde-generatie modellen voor de waterbeweging is dat deze voor zoveel mogelijk toepassingen geschikt dienen te zijn. Er dient daarom al bij ontwerp en opzet van het rooster en modelsettings rekening te worden gehouden met de eventuele koppeling met andere modellen en de daarin gemodelleerde fysische processen (golven, morfologie, waterkwaliteit). In dit hoofdstuk wordt de relatie met de belangrijkste modellen en de eventuele voorwaarden die deze stellen aan de zesde-generatiemodellen voor de waterbeweging geadresseerd. Er kan hierbij grofweg een onderscheid worden gemaakt in:

1 modellen die met name gebruik maken van de modellen voor de waterbeweging (o.a. golven, morfologie en waterkwaliteit); en

2 modellen die toeleverend zijn aan de modellen voor de waterbeweging (o.a. meteorologie, globale modellen, baseline).

3.2 Golven

Voor het bepalen van de hydraulische belasting op de primaire keringen zijn naast de waterstand ook de golven van groot belang. De golven worden berekend met golfmodellen en het softwaresimulatiepakket SWAN. Hierbij wordt de waterstand (en eventueel stroomsnelheid) uit het waterbewegingsmodel als input voor de golfmodellen gebruikt. Daarnaast kunnen golven zelf ook weer invloed hebben op de waterbeweging. De oploop van golven wordt berekend met oploopmodellen (zoals Riskeer of PC-overslag). Deze modellen worden gevoed door output van zowel waterstand- als golfmodellen.

3.2.1 SWAN

In de module D-Waves (2D) is een koppeling van D-FLOW FM (2D) met korte golven (SWAN) mogelijk. Het golfmodel rekent alleen op basis van gestructureerde roosters (curvilineair). In D-Waves is een ruimtelijk generieke koppeling geïmplementeerd. Hierdoor kunnen bij 2D modelschematisaties zowel driehoeken als curvilineaire roostercellen gekoppeld worden aan SWAN. Hieronder is een aantal aandachtspunten geïdentificeerd welke voor compatibiliteit van de koppeling van D-Flow FM modelschematisaties met SWAN modelschematisaties van belang zijn.

3.2.1.1 Eénweg -vs. tweewegkoppeling

Grofweg zijn er twee types van koppelingen mogelijk tussen waterbeweging en golven; een éénweg- en een tweewegkoppeling:

• Bij de éénwegkoppeling zijn de waterstanden en eventueel de stroomsnelheden uit de waterbeweging invoer voor het golfmodel, maar vindt er geen terugkoppeling plaats van de golfcondities naar de waterbeweging.

• Bij de tweewegkoppeling wordt de interactie tussen golven en stroming over en weer gemodelleerd door de waterstanden en stroomsnelheden uit de waterbeweging aan het golfmodel op te leggen en de golfcondities weer terug te leveren als input aan de waterbeweging (berekening van golfgeïnduceerde krachten).

In de huidige methodiek binnen het Wettelijk Beoordelings Instrumentarium (WBI) wordt alleen gebruik gemaakt van een éénwegkoppeling. Hierbij wordt ofwel gebruik gemaakt van de maximale waterstand uit een waterstandsberekening (o.a. IJsselmeer) ofwel wordt een

(28)

constante waterstand opgelegd (o.a. Hollandsch Diep, Noordzeekust, Rijntakken en Maas). In beide gevallen wordt er geen stroming meegenomen.

Omdat de tweewegkoppeling nauwkeuriger en fysisch correcter is, is het aan te bevelen om op termijn hierop over te stappen. (zie ook Sterl, 2018). Ook voor rivieren geldt dat het wenselijk is om golf-stromingsinteractie mee te nemen voor een betere golfmodellering. De tweewegkoppeling kost echter (aanzienlijk) meer rekentijd. Ook zou de WBI-methodiek in de toekomst moeten worden aangepast bij de overstap naar een tweewegkoppeling.

Voor slibmodellering (o.a. op het Markermeer) wordt op dit moment al gebruik gemaakt van tweewegkoppeling, omdat de terugkoppeling van de golven op de (3D-)waterbeweging cruciaal is voor een nauwkeurige modellering van slib. Hierin is ook de verticale verdeling en de precieze stroming belangrijk. Voor de zesde-generatie modellen is het dan ook noodzakelijk dat er zowel éénweg- als tweewegkoppeling kan plaatsvinden voor de gebieden waar slibmodellering plaatsvindt. Ook langs de kust kan tweewegkoppeling van belang zijn, aangezien hier golfgeïnduceerde opzet relevant is. De wens voor het gebruik van tweewegkoppeling zorgt echter niet voor additionele eisen aan de opzet van de zesde-generatie modellen.

3.2.1.2 Interpolatie en droogval

Bij zowel de éénweg- en tweewegkoppeling is er interpolatie noodzakelijk indien het rooster voor het waterbewegingsmodel en het golfmodel niet exact met elkaar overeenkomen. Dit kan tot ongewenste situaties leiden indien in het ene model een cel droogvalt, terwijl hier in het andere model nog wel wordt gerekend. Het zou daarom wenselijk zijn als de roosters voor de wateren golfbeweging zoveel mogelijk aan elkaar gelijk kunnen worden getrokken. Vanwege de verschillende fysica worden er echter andere eisen gesteld aan de roosterresolutie voor golfmodellen en waterbewegingsmodellen.

Voor golven is de meeste resolutie vereist daar waar de grootste gradiënten in de golfenergie plaatsvinden (bij platen en grote gradiënten in bodem). Voor de waterbeweging worden andere eisen gesteld (zie paragraaf 4.2). Het exact aan elkaar gelijktrekken van de roosters voor golven en waterbeweging is in de meeste gevallen niet wenselijk, omdat dan voor golven extra resolutie moet worden gehanteerd in gebieden waar dit voor waterstanden niet noodzakelijk is en dit een te grote extra rekentijd met zich meebrengt. Het is ook niet noodzakelijk dit over het gehele domein te doen. In de buurt van de waterkeringen is het wenselijk geen droogvalproblematiek te hebben en de roosters in beide modellen vergelijkbaar te kiezen. Aanbeveling voor de zesde-generatie waterbewegingsmodellen is dus om de roosterdekking en resolutie nabij de keringen (uitvoerlocaties) vergelijkbaar te maken aan het rooster voor de golfmodellen om zo interpolatieproblemen zoveel mogelijk te voorkomen, zolang dit maar geen onevenredig grote consequenties heeft op o.a. de rekentijd.

3.2.1.3 Consistente formuleringen

Het is van belang dat er consistente fysica wordt gebruikt in de waterbewegings-, meteorologische en de golfmodellen o.a. met betrekking tot de winddrag formuleringen en coëfficiënten. Sterl (2017) beschrijft de relevante literatuur en studies m.b.t. winddrag formuleringen, en geeft aanbevelingen over het gebruik hiervan.

Daarnaast dienen er consistente keuzes te worden gemaakt voor de bodemwrijving in de waterbewegings- en golfmodellen, zodat er een zo klein mogelijke bias in de modelketen wordt geïntroduceerd.

(29)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 17 van 88 3.2.1.4 Baseline

Voor een consistente koppeling van waterbeweging en golven is het ook noodzakelijk dat de modellen zijn gebaseerd op dezelfde onderliggende geometrie. Voor de vijfde-generatie modellen is dit mogelijk gemaakt doordat met behulp van Bas2SWAN de bodem- en obstakelbestanden voor de golfmodellen kunnen worden afgeleid uit dezelfde database met geo-informatie (Baseline) als degene die wordt gebruikt voor het opzetten van het waterbewegingsmodel (BasWAQ). Voor de zesde-generatie wordt er voor gezorgd dat dezelfde procedure kan worden gevolgd middels Bas2FM.

3.2.1.5 UNSWAN

In de ‘Pilot-applicatie Meren’ van 2016 is als aanbeveling opgenomen om in de toekomst ook UNSWAN te gebruiken, omdat dit het gebruik van ongestructureerde roosters in de golvenmodule mogelijk maakt.

• de ‘kwaliteit’ van de UNSWAN-modelresultaten is een onderwerp van discussie tussen Deltares en TU Delft. Er wordt aan diverse projecten gewerkt om UNSWAN nader te kunnen beoordelen.

• Er is momenteel (februari 2019) nog geen softwaretechnische koppeling tussen D-Flow FM en UNSWAN.

• UNSWAN kan alleen driehoeken aan en bijvoorbeeld niet de combinatie van curvilineaire roostercellen en driehoeken. Dit laatste lijkt een belangrijke eis voor zesde generatiemodellering, maar is geen showstopper, omdat er ook geïnterpoleerd kan worden tussen verschillende roosters, en heeft daarom een lage prioriteit.

Het voorgaande maakt duidelijk dat het in de komende jaren nog geen optie is om UNSWAN te gebruiken bij de generatie modellering. Daarom staat nu al vast dat de zesde-generatiemodellen in eerste instantie gebruik zullen maken van een koppeling met SWAN, via de D-Waves module van de D-HYDRO software.

(30)

3.2.2 Bretschneider

Op de bovenrivieren en op Veluwerandmeren, Grevelingen, Volkerak-Zoommeer en Hollandsche IJssel wordt op dit moment nog geen gebruik gemaakt van 2D-golfmodellen (SWAN), maar wordt voor het effect van wind op golven gebruik gemaakt van de simpelere Bretschneider aanpak op basis van strijklengte. Hierbij wordt de golfoploop bepaald op basis van het beschikbare vrije wateroppervlak. Voor verschillende waterschappen is echter al gekeken of het ook mogelijk is om SWAN toe te passen tijdens de ‘Toets op maat’ in het WBI-beoordelingsproces, om bijvoorbeeld het effect van stroming te verdisconteren. Op de kennisagenda van DGRW is dan ook geagendeerd om te kijken of het in de toekomst mogelijk is om SWAN ook op de smalle wateren in te zetten. Aangezien nu nog niet duidelijk of en hoe dit consequenties heeft voor de hydrodynamische modellen, wordt hier op dit moment bij de opzet van de zesde generatie modellen niet apart rekening mee gehouden.

3.2.3 Samenvatting voorwaarden voor de koppeling met golven

Hieronder volgt puntsgewijs een samenvatting van de voorwaarden aan de zesde-generatie modellen voor de waterbeweging voor de koppeling met golven:

• In eerste instantie wordt bij de ontwikkeling van de zesde-generatie modellen voor de waterbeweging uitgegaan van een koppeling met D-Waves op basis van gestructureerde roosters (curvilineair).

• Voor toepassing binnen WBI kan worden uitgegaan van enkel een éénwegkoppeling. • Er moet tweewegkoppeling kunnen plaatsvinden voor die gebieden waar slibmodellering

plaatsvindt en langs de kust, waar golfgeïnduceerde opzet en stroming van belang is. • Roosterdekking en resolutie nabij de keringen (o.a. uitvoerlocaties) vergelijkbaar maken

aan het rooster voor de golfmodellen om zo interpolatieproblemen en verschillen als gevolg van droogval zoveel mogelijk te voorkomen, zolang dit geen onevenredig grote consequenties heeft op o.a. de rekentijd.

• Zoveel mogelijk gebruik maken van consistente fysica in waterbewegings-, meteorologische en golfmodellen.

• Afleiding golfmodellen vindt plaats met behulp van Bas2SWAN op basis van Baseline 6. 3.3 Morfologie

De module D-Morphology (2D) geeft een koppeling van D-FLOW FM met morfologie voor 2D toepassingen.

Bij het opzetten van de zesde-generatie modelschematisaties voor de waterbeweging wordt er zoveel mogelijk rekening mee gehouden dat de modellen in de toekomst kunnen worden uitgebreid om ook morfologie door te kunnen rekenen. Dit houdt in dat bij voorkeur aan de volgende eisen wordt voldaan die noodzakelijk zijn voor de goede uitvoering van morfologische berekeningen:

• Rooster uitlijnen met belangrijke stroombanen voor transport van sediment (zomerbed rivier, geulen). Dit is belangrijker dan de gladheid van het rooster loodrecht op de stroming en ook belangrijker dan de uitlijning van het rooster aan de gesloten rand bij de winterdijk. Trapjeslijnen moeten zoveel mogelijk voorkomen worden in het zomerbed maar bij relatief ondiepe delen naast de winterdijk is volledig uitlijnen van het rooster met de winterdijk niet altijd noodzakelijk. Speciale aandacht voor omgang met dynamische geulen.

• Fysisch realistische bodemruwheid (o.a. gladde overgangen). De bodemschuifspanning moet goed worden berekend.

(31)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 19 van 88 • Correcte verdeling van afvoer en stroomsnelheden, exacte waterstanden zijn minder van

belang.

• Correcte weergave van residuele stromingen.

• Bodemhoogtediscretisatie in centerpunten van het rooster

• Secundaire (spiraal)stroming moet geactiveerd zijn en correct werken in 2D modellen. • Model ook voldoende nauwkeurig voor lage waterstanden (o.a. in intergetijdengebied). • Debieten niet daggemiddeld maar per 10 minuten of per uur.

• Voor de laagverdeling in 3D een logaritmisch profiel met grootste resolutie vlakbij de bodem (met name voor zand-morfologie).

In de nieuwe Baseline 6 software wordt het ook mogelijk om morfologische informatie toe te voegen aan de Baseline-gebiedsschematisaties. Deze informatie kan dan automatisch worden omgezet naar modelinvoer voor morfologische modellen en kan ook in Baseline met de andere geo- georiënteerde data worden beheerd.

3.4 Waterkwaliteit

Binnen de D-HYDRO suite is het ook mogelijk om waterkwaliteit door te rekenen via de module D-Water Quality (D-WAQ). Deze module is een opvolger van Delft3D-WAQ.

Bij het opzetten van de zesde-generatie modelschematisaties voor de waterbeweging wordt er zoveel mogelijk rekening mee gehouden dat de modellen in de toekomst kunnen worden uitgebreid om ook waterkwaliteit door te kunnen rekenen. Voor waterkwaliteit is het in veel gevallen noodzakelijk om 3D-modellering toe te passen.

Dit houdt in dat aan de volgende eisen wordt voldaan die noodzakelijk zijn voor de goede uitvoering van waterkwaliteitsberekeningen:

• Transport: Watertransport is zeer van belang in verband met de ruimtelijke verdeling en verplaatsing van de opgeloste stoffen. Over het algemeen is transport van meer belang voor waterkwaliteit dan waterhoogte. Goede indicatoren voor watertransport zijn zout en in mindere mate ook temperatuur.

• Verticale menging: De verticale menging is van groot belang voor de primaire productie. Dit houdt in dat de stratificatie (zout/temperatuur) goed moet worden weergegeven en ook de menging door wind en golven. Dit vereist voldoende resolutie in 3D, en een verticale resolutie die is afgestemd op de diepte van de spronglaag.

• Verticale resolutie: In diepe wateren vinden de meeste biologische processen aan het oppervlak dan wel aan de bodem plaats. Hiermee kan rekening worden gehouden bij de keuze van de verticale resolutie.

• Droogval: Droogvallen is van belang voor intertidale gemeenschappen op schorren, slikken, en moerassen. De keuzes voor grenswaarden en minimale waterlagen moeten dus niet enkel gebaseerd worden op numerieke zaken, maar hierbij dient ook rekening te worden gehouden met biologische aspecten. Een ‘best-practice’ hiervoor bestaat (nog) niet, maar de keuzes zouden in elk geval moeten worden besproken met waterkwaliteitsmodelleurs.

• Randen, rivieren en eventuele andere lozings-debieten: Debieten zijn belangrijk omdat hiermee stoffen in het systeem kunnen worden geloosd. De temporele resolutie van de debieten moet afgestemd zijn op de dynamiek in het systeem. NB: Hoewel sommige rivieren niet relevant zijn in termen van hun debiet, kunnen de stofconcentraties in het geloosde water in deze rivieren zo hoog zijn, dat ze wel relevant zijn voor de waterkwaliteit. Hoewel het niet per se nodig is om dergelijke rivieren mee te nemen in de

(32)

waterbeweging, heeft dit wel voordelen met betrekking tot de workflow en consistentie van de D-WAQ modellen.

• Tijd-resolutie: Over het algemeen is er voor waterbeweging een hogere temporele resolutie nodig dan voor waterkwaliteit, dus hoeft daar niet specifiek rekening mee gehouden te worden. Wel is het voor stoftransport wenselijk dat er een volledige cyclus (dag-nacht/springtij-doodtij/jaarcyclus) beschikbaar is.

• Plaats-resolutie: Over het algemeen is er voor waterbeweging een hogere plaatsresolutie nodig dan voor waterkwaliteit. Daarom moeten de modelresultaten voor de waterbeweging geaggregeerd kunnen worden naar een grovere plaats-resolutie voor de waterkwaliteit.

• Waterbalans: aangezien het bij waterkwaliteitsberekeningen vaak gaat om langlopende berekeningen, is het vrijwel altijd noodzakelijk om een goede waterbalans op te stellen.

3.5 Meteorologie

In bepaalde gebieden is de forcering door wind een belangrijke drijvende factor voor de waterbeweging. Afhankelijk van de toepassing kunnen hier verschillende modellen of metingen voor worden gebruikt.

Voorbeelden hiervan zijn: • tijdreeksen

• HIRLAM • HARMONIE

• ECMWF (bijvoorbeeld HRES, EPS of ERA5)

Het is van belang om bij de opzet van het model te achterhalen welk type forcering er gebruikt wordt binnen de verschillende toepassingen en of direct gebruik wordt gemaakt van de windstress of van windsnelheden. Het is namelijk van belang dat er consistente fysica wordt gebruikt in de waterbewegingsmodellen en de weermodellen. Er worden bijvoorbeeld verschillende meteorologische coëfficiënten gebruikt voor de modellering van wind boven zee en meren. Het kan ook voorkomen dat het hydrodynamische model met verschillende windforceringen moet kunnen werken. Hiervoor moeten dan verschillende parametersets worden gedefinieerd tijdens de opzet van het model.

Ook voor de aansturing van het heat-flux model en de opzetrandvoorwaarden op zee wordt gebruik gemaakt van meteorologische modellen.

3.6 Globale modellen

Voor het genereren van randvoorwaarden voor de zesde generatie modellen, met name voor de Noordzee, wordt ook gebruik gemaakt van globale modellen:

• globale getijmodellen voor getijrandvoorwaarden

• globale transportmodellen voor zout- en temperatuurrandvoorwaarden 3.7 Data-assimilatie

Naast het gebruik voor de kalibratie van numerieke modellen kan de OpenDA-software ook gebruikt worden voor data-assimilatie (o.a. Ensemble Kalman Filtering (EnKF)). Hiervoor is ook een interface beschikbaar voor D-Flow FM. Binnen de opzet en ontwikkeling van het zesde-generatie model van de Noordzee wordt er specifiek een model opgezet dat gebruik maakt van een Steady State Kalman Filter. Binnen RWsOS-Rivieren wordt ook Kalman-Filtering

(33)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 21 van 88 toegepast, maar dan op de 1D-riviermodellen. De modellen worden hier echter niet speciaal op afgeregeld.

3.8 Baseline 6

De geometrische informatie van het beheergebied van RWS wordt opgeslagen in ArcGIS geo-databases met behulp van het programma Baseline. De overstap naar de zesde-generatie modellen is ook het moment om deze software en de onderliggende filosofie en keuzes nog eens onder de loep te nemen en gewenste verbeteringen door te voeren. Dit wordt uitgevoerd in de parallelle trajecten voor de ontwikkeling van Baseline 6 (binnen het project KPP Hydraulica Programmatuur) en Baseline NL (zie Spruyt & Hoefsloot, 2018).

De belangrijkste veranderingen zijn:

• Versimpeling van de database (minder informatielagen) • Minder afgeleide bestanden (dus minder dubbele informatie) • Breuklijnen niet meer als routes + events

• Bandijken opnemen in het hoogtemodel

• Bruggen als aparte features i.p.v. via de bodemruwheid (voorstel)3

• Dimensies kunstwerken opnemen (voorstel) • Toevoegen SOBEK-specifieke informatie • Toevoegen morfologische informatie

• Versnelling van verwerkingsacties (o.a. mixen, conversie) • Mogelijkheid tot projectie naar andere coördinatenstelsels

• Mogelijkheid tot het wegschrijven naar meerdere bestanden (bijv. uitvoerlocaties) Hierbij moet het wel mogelijk zijn om bestaande Baseline 5-maatregelen (middels conversie) te kunnen behouden. Ook de conversie naar input voor SWAN-modellen moet beschikbaar blijven.

Een specifieke eis voor de zesde-generatie modelschematisaties is dat de onderliggende geo-informatie voor alle gebieden in Baseline 6 beschikbaar moet zijn en via automatische conversie naar input voor D-Flow FM moet kunnen worden omgezet (via Bas2FM). Op deze manier wordt gegarandeerd dat de modelinput reproduceerbaar is. Hierbij wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van een landelijke database voor heel Nederland (BaselineNL).

3.9 Regionale modellen

Er zal rekening gehouden moeten worden met de toekomstige koppeling van zesde generatie modellen met de kanaalmodellen van RWS en de modellen van de waterschappen (vooral in 1D). In het kader van het Landelijk Sobek Model (LSM), wordt hier al aandacht aan gegeven. Hierbij moet gedacht worden aan de locatie van de punten waarop de modellen zullen gaan aantakken of uitwisselen en eventuele kunstwerken op de grensvlakken tussen de modellen. De benodigde informatie zal worden opgenomen in de overkoepelende Baseline boom van heel Nederland (BaselineNL) en zo via automatische conversie ook in de modellen terecht komen.

3.10 Buitenlandse modellen

Water houdt geen rekening met landsgrenzen. De hydrodynamische modellen van RWS moeten daarom gekoppeld kunnen worden aan buitenlandse modellen of bevatten in veel gevallen zelfs een deel van de gebieden over de landsgrenzen heen.

3_{Bruggen worden een apart lijnelement, met als doel om de ruwheid van pijlers mee te nemen, dus niet de ruwheid van} brugdekken bijvoorbeeld.

(34)

Voorbeelden waarbij dit speelt zijn: • Rijn (Rhein) • Maas (Meuse) • Vecht (Vechte) • Eems (Ems) • Schelde (Scheldt) • Continentaal plat (DCSM)

Een aandachtspunt is hier onder andere de geo-referentie van schematisaties. In Nederland wordt veelal gebruik gemaakt van Rijksdriehoekscoördinaten (RD) en het Normaal Amsterdams Peil (NAP), terwijl in de ons omringende landen andere coördinatenstelsels en referentievlakken worden gebruikt. Ook op zee zijn, behalve binnen een smalle kustzone, deze horizontale en verticale coördinatenstelsels niet geldig.

Bij de samenwerking met buitenlandse partners/overheden geldt dat het noodzakelijk is om een koppeling tussen de modellen te kunnen bewerkstelligen, maar je kunt niet (zomaar) dezelfde werkwijze opleggen. Hier moet zoveel mogelijk rekening mee worden gehouden bij de opzet van de zesde-generatie modellen

(35)

4 Technische specificaties

4.1 Algemeen

Naast de eisen en wensen aan het conceptueel raamwerk zijn er verschillende technische aandachtspunten die geadresseerd moeten worden. Deze zijn gemakshalve gegroepeerd als volgt: • Roostergeneratie; • Numerieke aspecten; • Kunstwerken en overlaten; • Relevante processen • Overige aspecten.

4.1.1 Good Modelling Practice

Voor het opzetten van de zesde-generatie modelschematisaties moet er ook aandacht zijn voor “Good Modelling Practice”. Het handboek Good Modelling Practice (STOWA, 1999) is door Nederlandse partners opgezet. Het handboek is in het Engels gepubliceerd voor internationaal gebruik (o.a. door US EPA).

In Bijlage D wordt een beschrijving gegeven (in het Engels) over hoe Deltares aansluit bij de richtlijnen t.b.v. Good Modelling Practice (GMP). In deze bijlage is te zien dat GMP, voor een studie die gebruik gaat maken van simulatiemodellen, onderverdeeld kan worden in drie fases. Deze fases zijn:

1. Probleemdefinitie en modeldefinitie 2. Kalibratie- en validatiefase

3. Scenario’s

Figuur 4.1 geeft een schematische weergave van de eerste twee fases volgens GMP.

(36)

4.2 Roostergeneratie

Het rekenrooster is het fundament van het model en is zeer bepalend voor de nauwkeurigheid, de toepasbaarheid en de rekentijd van een model. De inspanning die bij de roostergeneratie wordt besteed om een zo optimaal mogelijke verhouding van nauwkeurigheid versus rekentijd versus toepassingsgebieden te verkrijgen, zal zich terugbetalen in alle simulaties die vervolgens met het model gemaakt worden. Daarom dient het rooster met veel zorg te worden opgesteld. In Bijlage E wordt in meer detail ingegaan op verschillende aspecten die bij de roostergeneratie een rol spelen.

In D-HYDRO Suite is de keuze tussen verschillende roostervormen niet beperkt, en de afweging voor de gekozen roostervormen is een afweging van verschillende roostereigenschappen:

 Kromlijnig:

 Mogelijkheid om (hoofd)geulen te volgen (mits het patroon daarvan niet te complex is)

 Beperkte mogelijkheden voor uitlijning met kusten of kunstwerken (zonder ook gebruik te maken van veel onregelmatige driehoekige cellen)

 Regelmatig vierhoekig:

 Niet geulen volgend (en daardoor meer “trapjeslijnen” in stroming)

 Geen uitlijning met kusten of kunstwerken (zonder ook gebruik te maken van veel onregelmatige driehoekige cellen)

 Regelmatig driehoekig:

 Niet geulen volgend (maar minder scherpe “trapjeslijnen” dan voor regelmatig vierhoekig rooster)

 Door toepassing van een onregelmatige driehoekige overgangszone uit te lijnen op kusten en kunstwerken. Minder onregelmatige cellen nodig dan voor vierhoekige rooster

 Kleinere cellen nodig dan vierhoekige roosters voor een vergelijkbare kwaliteit van de bodemrepresentatie

Hieronder volgt een samenvatting van de algemene eisen (en wensen) die aan het rooster worden gesteld om te komen tot een robuust rooster. Het is een taak van de modelleur om te overwegen in hoe ver afgeweken kan worden van de “optimale” keuzes afhankelijk van de toepassing en het toepassingsgebied. In Bijlage E wordt verder ingegaan op deze overwegingen voor een aantal specifieke toepassingen, en worden een aantal vuistregels voor roostergeneratie toegelicht m.b.t. kwaliteitseisen aan:

• Orthogonaliteit;

• Gladheid (Smoothness); • Aspect ratio;

• Nauwkeurigheid; en • Rekenefficiëntie.

In het algemeen zou een rooster moeten voldoen aan de volgende criteria: • Het rooster dekt minimaal het beheergebied van RWS.

• Indien het voor het verkrijgen van goede begincondities en resultaten noodzakelijk is om een groter gebied te bestrijken dan wordt het gebied uitgebreid.

• Bij het opstellen van het rooster wordt rekening gehouden met de actuele situatie, de situaties tijdens kalibratie en validatie en met de informatie van reeds bekende toekomstige gebiedsontwikkelingen.

• Belangrijke stroombepalende elementen (zoals o.a. kunstwerken, strekdammen) dienen op roosterlijnen te kunnen worden geschematiseerd.

(37)

Specificaties zesde-generatie modellen met D-HYDRO 25 van 88 • Het rekenrooster bevat voldoende resolutie voor de beoogde toepassing in de

interessegebieden.

• Het rooster moet uitgelijnd worden met kunstwerken (bij voorkeur ook bruggen). Het is belangrijk om de stromingsrichting door de openingen van de keringen de juiste roosteroriëntatie te geven. Bij voorkeur wordt er één roostercel per opening gebruikt, tenzij dit onevenredig veel invloed op de minimale rekentijdstap heeft. Bij de locatie van het kunstwerk gaat het om de bewegende delen zoals sluisdeuren en stuwbogen. • Kleine roostercellen in combinatie met hoge stroomsnelheden moeten zo veel mogelijk

vermeden worden vanwege de tijdstapbeperking in D-HYDRO Suite door de expliciete afhandeling van advectie. Dit vereist specifieke aandacht bij de modellering van bijvoorbeeld kunstwerken, kleinere stroomgeulen en drempels en overlaten.

• De orthogonaliteit van het rooster moet een waarde hebben die in het interessegebied kleiner is dan 0.02.

• De aspect ratio van het rooster moet zo veel mogelijk gelijk zijn aan 1.0 en het liefst niet groter dan 2.0 tot 5.0. Dit hangt sterk van de toepassing af. Bij rechte kanalen lijkt een factor vijf haalbaar, terwijl in bochtige rivieren een lage aspect ratio de voorkeur verdient. • Aan de gladheid (smoothness) worden geen strikte eisen gesteld om het nog mogelijk te maken om roosterverfijning toe te passen. Roosterverfijning is juist een van de meerwaarden bij D-HYDRO (Kernkamp, 2017). Dit neemt niet weg dat in de praktijk geprobeerd moet worden om roosterovergangen zo geleidelijk mogelijk te laten verlopen, en de overgangsgebieden niet te dicht bij het interessegebied te gebruiken. Bij de vorige generatie modelschematisaties (met kromlijnige roosters) werd aanbevolen om de gladheid onder 1.2 te houden.

• Er is een sterke wens om de verfijning van de rekenroosters, indien nodig, automatisch te doen. Maar dit hoeft niet ten koste van andere eisen.

• Daarnaast moet worden getracht om hetzelfde (basis)rooster te gebruiken voor zowel het modelleren van waterstanden, morfologie, waterkwaliteit en golven, zolang dit geen nadelige consequenties heeft op andere aspecten.

4.2.1 Algemene opzet van het rooster

Bij de opzet van het rooster wordt gebruik gemaakt van polygonen. Voor zeeën, kusten en meren worden deze polygonen gebruikt om de overgang naar een fijnere of grovere resolutie te definiëren.

De ligging van de polygonen wordt hier bepaald op basis van:

• Isobaths (lijnen met gelijke diepte): in diepere delen en delen met vrijwel gelijkdiepte kan een grovere resolutie worden gebruikt, of

• Afstand uit de kust/oever: dichter bij de kust/oever wordt een fijnere resolutie gebruikt. • Variabiliteit in de waterdiepte: bij veel variabiliteit wordt een hogere resolutie gebruikt. Voor ondiepe meren is de eerste optie echter niet erg nuttig, aangezien de diepte in het hele meer ongeveer overal gelijk kan zijn en in het midden van het meer toch een grovere resolutie gebruikt kan worden.

In rivieren wordt een multiblok aanpak gebruikt. Hierbij wordt eerst een kromlijnig rooster voor het zomerbed gemaakt. Vervolgens worden de overige gebieden opgedeeld in blokken, waarbinnen roosters worden gegenereerd die onderling op elkaar aansluiten. Het is nuttig bij de roosteropzet gebruik te maken van debietlijnen. Dit geeft eenvoudig inzicht in locaties waar de hoge roosternauwkeurigheid gewenst is en waar dit gerelaxed kan worden.

(38)

Het is gewenst om met behulp van een aantal convergentie-, kalibratie- en validatietesten te onderzoeken of een roosterschematisatie geschikt is voor het beschrijven van bepaalde processen en in hoeverre de schematisatie voldoet aan de eisen op gebied van rekentijden. Dit kan leiden tot aanpassingen in roosterresolutie en/of het aantal rekencellen. Ook kunnen locaties van overgangszones tussen verschillende celtypen worden aangepast om bijvoorbeeld onregelmatige cellen zo veel mogelijk in gebieden met lage stroomsnelheden te hebben. 4.2.2 Afhandeling van gesloten randen

Er zijn verschillende manieren om met de randen van het rooster om te gaan:

• Boundary-fitted: het rooster wordt volledig uitgelijnd met de randen van het model. Dit is de beste oplossing, maar kan onevenredig veel tijd kosten voor de roostergeneratie en een negatief effect hebben op de kwaliteit van het volledige rooster.

• Land-water masker: afhankelijk van welk percentage van een cel nat is, wordt deze wel of niet meegenomen. Normaalgesproken wordt hier de scheiding gelegd bij 50%. Deze werkwijze kan echter resulteren in zogeheten ‘trapjeslijnen’, die een ongewenste invloed kunnen hebben op het stromingspatroon.

• Afknippen rooster: het rooster wordt afgeknipt op de rand. Op deze manier kunnen er echter roostercellen ontstaan die niet voldoen aan de eisen voor een goed rooster (o.a. orthogonaliteit en smoothness) en daardoor een negatieve invloed hebben op de resultaten (zie Figuur 4.2 – links).

• Cut-cell-techniek: alleen de volumes van de roostercellen en de doorstroomoppervlakken worden aangepast. Verder worden cellen die kleiner zijn dan een vooraf opgegeven waarde niet meegenomen (zie Figuur 4.2 – rechts). Op deze manier wordt wel het correcte volume meegenomen van de cel, maar zijn er geen problemen met orthogonaliteit.

Figuur 4.2 Verschil tussen afknippen van het rooster (links) en het gebruik van de cut-cell techniek (rechts)

In meren worden alleen driehoeken gebruikt voor het rooster en daardoor is het relatief makkelijk om een boundary-fitted rooster te genereren. Voor de Noordzee wordt gebruik gemaakt van een land-water masker. De resulterende trapjeslijnen zijn voor waterstanden van minder invloed. Daarnaast speelt dit minder bij een toenemende horizontale resolutie, zeker als het ook nog om ondiepe gebieden gaat met veel dissipatie en lage stroomsnelheden. In de toekomst zal voor rivieren worden onderzocht of de cut-cell techniek kan worden ingezet langs specifieke randen van het model. Hierdoor wordt het namelijk relatief makkelijk om te gaan met eventuele veranderingen in de locatie van de randen.